FIZIKA_kospekt_lektsy

25.4.2. Микроскоп

Микроскоп – это оптический прибор для наблюдения объектов,

неразличимых вооруженным глазом. Увеличение изображения объека в микроскопе происходит в две ступени: первое увеличение дает объектив, второе

на pacстоянии немного больше фокусного расстояния объектива. Объектив 2

создает увеличенное действительное и перевернутое изображение объекта 1'.

Это изображение расположено перед окуляром 3. Окуляр 3 создает

увеличенное мнимое и прямое изображение 1'', расположенное от глаза наблюдателя 4 на расстоянии наилучшего видения (D = 250 мм). Таким образом, мы видим в микроскоп изображение объекта под большим углом зрения - увеличенное и перевернутое.

Микроскопы делятся на переносные и стационарные. Переносные микроскопы используют для исследования поверхности металла непосредственно на изделии. Эти микроскопы имеют небольшие увеличения

20-300 раз. Для металлографии (определение микроструктуры, дефектов, фаз,

оценка загрязненности стали неметаллическим включениями, выявления зерна в стали, оценка фазового включения, исследование изломов, определение глубины обезуглероженного слоя, определение склонности стали к межкриталлитной коррозии, определение макроструктуры) применяют стационарные микроскопы МИМ-7, МИМ-8, МИМ-9, МИМ-14. На

микроскопах МИМ-7, МИМ-8, можно изучать микроструктуру микрошлифа

визуально при увеличении от 60 до 1440х и фотографировать. На микроскопах

проводить при увеличении от 10 до 3900х и фотографировать. Для исследования радиоактивных материалов пользуются микроскопом МИМ-14-1,

имеющим дистанционное управление.

Для получения контрасного изображения при изучении микроструктуры применяют различные способы повышения контраста. Это методы косого освещения, темнопольного освещения, цветных светофильтров, метод цветной трансформации (основан на том, что фазы микроструктуры по-разному отражают световые волны различной длины, т.е. имеют различную окраску) и

исследование в поляризованном свете.

Изучение микроструктуры металлов и сплавов при высоких температурах можно двумя методами. Первый метод заключается в том, что образец нагревают до заданной температуре, выдерживают определенное время и затем фиксируют полученную структуру быстрым охлаждением. Приготовив и протравив шлиф, его исследуют при комнатной температуре на металлографическом микпрскопе. Второй метод: непосредственное изучение и фиксирование изменений, происходящих в металле в процессе его нагрева и выдержки при высоких температурах, которые проводят на специальных установках с помощью высокотемпературных металлографических микроскопов типа МВТ. Применение метода высокотемпературной металлографии позволяет изучать многие сложные теоретические и практические вопросы металловедения. Пользуясь этим методом можно выявлять микроструктуру сплавов при нагреве до температур 3000°С, при изотермической выдержке и охлаждении; изучать зарождение и рост зерен аустенита в различных сталях: исследовать фазовые превращения и рекристаллизацию; изучать особенности выделения и рост различных фаз в процессе старения сплавов. Это позволяет разрабатывать оптимальные режимы термической обработке и значительно влиять на уровень прочности и технологических свойств. Установки предназначены для прямого наблюдения и фотографирования. Есть установки с помощью которых можно определять микротвердости металлов и сплавов.

262

25.4.3. Элементы электронной оптики Электронный микроскоп — устройство, предназначенное для

пучок, формируемый электронной пушкой 1, попадает а область действия конденсорной линзы 2, которая фокусирует на объекте 3 электронный пучок необходимого сечения и интенсивности. Пройдя объект и испытав в нем отклонения, электроны проходят вторую магнитную линзу — объектив 4 — и

собираются ею в промежуточное изображение 5. Затем с помощью проекционной линзы 6 на флуоресцирующем экране достигается окончательное изображение 7.

С помощью электронных микроскопов можно добиться значительно больших увеличений (до 106 раз), что позволяет наблюдать детали структур размерами 0,1 нм.

263

ГЛАВА 26. ПРИРОДА СВЕТА И ЕГО СВОЙСТВА.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

26.1. Развитие представлений о природе света

В конце XVII в. на основе многовекового опыта и развития представлений о свете возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон)

и волновая (Р. Гук и X. Гюйгенс).

Согласно корпускулярной теории свет представляет собой поток частиц

(корпускул), испускаемых светящимися телами и летящих по прямолинейным траекториям. Движение световых корпускул Ньютон подчинил сформулированным им законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика при ударе о плоскость, где также соблюдается закон равенства углов падения и отражения. По теории Ньютона скорость распространения света в среде должна быть всегда больше скорости его распространения в вакууме.

Согласно волновой теории, развитой на основе аналогии оптических и акустических явлений, свет представляет собой упругую волну,

распространяющуюся в особой среде - эфире. Эфир заполняет все мировое пространство, пронизывает все тела и обладает механическими свойствами -

упругостью и плотностью.

Волновая теория приводит к выводу, отличному от вывода теории Ньютона. По теории Гюйгенса скорость распространения света в среде должна быть всегда меньше скорости его распространения в вакууме.

Несмотря на признание волновой теории, она обладала целым рядом недостатков. Например, явления интерференции, дифракции и поляризации могли быть объяснены только в том случае, если световые волны считать поперечными. Далее эксперименты показали, что скорость распространения света в разных средах различна, поэтому эфир должен обладать в разных средах различными свойствами. Теория Гюйгенса не могла объяснить также физической природы наличия разных цветов.

264

Наука о свете накапливала экспериментальные данные,

свидетельствующие о взаимосвязи световых, электрических и магнитных явлений, что позволило Максвеллу создать электромагнитную теорию.

Согласно электромагнитной теории Максвелла,

где с и υ — соответственно скорости распространения света в вакууме и в

среде с диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ.

Это соотношение связывает оптические, электрические и магнитные

постоянные вещества. По Максвеллу, ε и μ — величины, не зависящие от

длины волны света, поэтому электромагнитная теория не могла объяснить явление дисперсии (зависимость показателя преломления от длины волны).

Теория Максвелла не смогла объяснить процессов испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта, комптоновского рассеяния и т. д.

Эта трудность была преодолена Лоренцем, предложившим электронную теорию, согласно которой диэлектрическая проницаемость ε зависит от длины волны падающего света. Теория Лоренца ввела представление об электронах,

колеблющихся внутри атома, и позволила объяснить явления испускания и поглощения света веществом. Теории Лоренца, в свою очередь, не смогла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, в

частности вопрос о распределении энергии по длинам волн при тепловом

излучении черного тела.

Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря гипотезе М. Планка, согласно которой излучение и поглощение света

Теория Планка объяснила тепловое излучение черного тела. Эйнштейн создал квантовую теорию света, согласно которой не только излучение света,

нo и его распространение происходит в виде потока световых квантов —

265

фотонов, энергия которых определяется соотношением (26.2), а масса и импульс

Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия света с веществом.

Явления интерференция, дифракция и поляризация света объясняются на основе волновых представлений. Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает,

что свет имеет сложную природу. Он представляет собой единство противоположных видов движения — корпускулярного (квантового) и

волнового (электромагнитного). Длительный путь развития привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света. Выражения (26.2; 26.3; 26.4) связывают корпускулярные характеристики излучения — массу и энергию кванта — с волновыми — частотой колебаний и длиной волны. Таким образом, свет представляет собой единство дискретности и непрерывности.

26.2. Интерференция света

Интерференцию света можно объяснить, рассматривая интерференцию волн. Необходимым условием интерференции волн является их когерентность,

т. е. согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Этому условию удовлетворяют

монохроматические волны — неограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты. Так как ни один реальный источник не дает строго монохроматического света, то волны, излучаемые любыми независимыми источниками света, всегда некогерентны. Поэтому на опыте не наблюдается интерференция света от независимых источников.

266

Предположим, что две монохроматические световые волны,

накладываясь друг на друга, возбуждают в определенной точке пространства

Так как волны когерентны, то cos (φ2 – φ1) имеет постоянное во времени

(но свое для каждой точки пространства) значение, поэтому интенсивность

В точках пространства, где cos (φ2 – φ1)>0, интенсивность I > I1 + I2,

где сos(φ2 – φ1)<0, интенсивность I < I1 + I2.

Следовательно, при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн происходит пространственное перераспределение светового потока, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других—

минимумы интенсивности. Это явление называется — интерференцией света.

Для получения когерентных световых волн применяют метод разделения волны, излучаемой одним источником, на две части, которые после прохождения разных оптических путей накладываются друг на друга, и

наблюдается интерференционная картина.

Пусть разделение на две когерентные волны происходит в определенной

υ2=c/n2 — соответственно фазовая скорость первой и второй волны. Разность фаз колебаний, возбуждаемых волнами в точке, где наблюдается интерференционная картина, равна

0

267

Произведение геометрической длины s пути световой волны в данной среде на показатель n преломления этой среды называется оптической длиной пути L = s n,

0

a L2—L1 = - разность оптических длин проходимых волнами путей — называется оптической разностью хода.

Если оптическая разность хода равна целому числу длин волн в вакууме

происходить в одинаковой фазе. Следовательно, (26.11) является условием

интерференционного максимума.

то δ = ±(2m+1)π и колебания, возбуждаемые в точке обеими волнами, будут происходить в противофазе. Следовательно, (26.12) является условием

интерференционного минимума.

26.3. Кольца Ньютона

Кольца Ньютона, являющиеся классическим примером полос равной толщины, наблюдаются при отражении света от воздушного слоя,

образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны (рис.26.1).

Все рассуждения проведены для отраженного света. Параллельный пучок света падает нормально на плоскую поверхность линзы и частично отражается от верхней и нижней поверхности воздушного зазора между линзой и пластинкой. При наложении отраженных лучей возникают полосы равной

268

толщины, при нормальном падении света имеющие вид концентрических окружностей.

Запишем выражение для радиусов колец соответственно: m-го-светлого кольца:

смещенных друг относительно друга полос, образованных лучами разных длин волн, и интерференционная картина приобретает радужную окраску.

Интерференцию можно наблюдать и в проходящем свете, причем в данном случае не наблюдается потери полуволны. Следовательно, оптическая разность хода для проходящего и отраженного света отличается на λ0/2, т. е.

26.4. Применение интерференции света.

Явление интерференции обусловлено волновой природой света; его количественные закономерности зависят от длины волны. Поэтому это явление применяется для подтверждения волновой природы света и для измерения длин волн (интерференционная спектроскопия).

269

Явление интерференции применяется также для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики) и получения высокоотражающих покрытий. Прохождение света через каждую преломляющую поверхность линзы, например через границу стекло — воздух, сопровождается отражением

≈4% падающего потока (при показателе преломления стекла ≈1,5). Так как современные объективы содержат большое количество линз, то число отражений в них велико, а поэтому велики и потери светового потока.

Для устранения недостатков осуществляют так называемое просветление оптики. Для этого на свободные поверхности линз наносят тонкие пленки с показателем преломления, меньшим, чем у материала линзы. Если оптическая толщина пленки равна λ0/4, то в результате интерференции наблюдается гашение отраженных лучей. Так как добиться одновременного гашения для всех длин волн невозможно, то это обычно делается для наиболее восприимчивой глазом длины волны 0,55 мкм. Поэтому объективы с просветленной оптикой имеют синевато-красный оттенок.

Создание высокоотражающих покрытий стало возможным лишь на основе многолучевой интерференции. В отличие от двухлучевой интерференции многолучевая интерференция возникает при наложении большого числа когерентных световых пучков.

Многолучевую интерференцию можно осуществить в многослойной системе чередующихся пленок с разными показателями преломления (но одинаковой оптической толщиной, равной λ0/4), нанесенных на отражающую поверхность. Например, система из семи пленок для области 0,5 мкм дает коэффициент отражения 96% (при коэффициенте пропускания 3,5% и

коэффициенте поглощения <0,5%). Подобные отражатели применяются в лазерной технике, а также используются для создания интерференционных светофильтров (узкополосных оптических фильтров).

Явление интерференции также применяется в очень точных измерительных приборах, называемых интерферометрами. Все интерферометры основаны на одном и том же принципе и различаются лишь

270